我國煤礦地質災害與防治技術

李東林，覃　偉，李北平

我國煤礦地質災害與防治技術

李東林，覃偉，李北平

（重慶工程職業技術學院，重慶 400037）

針對煤礦災害的復雜性，在初步概括我國煤礦地質災害特征基礎上，分析了地球物理勘探技術和3s集成技術在煤礦地質災害勘察中的應用，探討了建立基于數字煤礦平臺的災害綜合防治管理系統的必要性、可行性、技術思路及方法。對于煤礦災害的防治，除在煤礦災害分布發育規律、形成機理、監測預警技術、綜合防治工程技術等技術層面加強多學科、多領域綜合研究外，在宏觀政策管理層面也必須加強相應配套工作。

煤礦；地質災害；綜合物探； 3s技術

煤炭是我國的主要一次能源，煤炭工業是關系到國家經濟命脈的重要基礎產業。截止2005年，中國共有煤礦山23 901座。據全國礦山調查數據統計，1950～2005年的55年間，我國煤礦共發生地表地質災害約7 730處，占全國礦山地表地質災害數量的71%；全國礦山地質災害經濟損失約174.58億元，煤礦經濟損失約139.71億元，占了80%［1］。我國煤礦地下地質災害更是頻繁發生，是工業生產中傷亡事故最嚴重的行業。2007年，全球煤礦事故死亡人數約8 000人，我國為3 786人，占全球近50%。

煤礦企業要實現可持續發展，必須具備地質保障、安全保障和生態環境保障，煤礦地質災害是對煤礦安全生產、環境保護的嚴重挑戰。煤礦開采引發的地質災害數量和經濟損失遠大于金屬和非金屬礦山，煤礦面臨嚴峻的地質災害防治形勢，加強煤礦地質災害規律研究和防治對策研究凸顯重要。

煤礦地表地質災害屬于國家公益性地質調查研究的對象，而井下地質災害則不屬于。通過概括我國煤礦地表及井下地質災害特征基礎上，總結地球物理勘探方法和3s集成技術在煤礦地質災害研究中的現狀，探討基于數字煤礦平臺的災害綜合防治技術的應用前景。

1　我國煤礦地質災害特征

我國煤礦自然條件差，地質條件復雜，地質災害發育種類多、分布廣、發生頻率高、災情嚴重、影響大。我國煤礦地質災害主要特征：

1）煤礦地質災害類型多樣，根據災害影響對象和影響范圍，分為地表地質災害（崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫、水土流失、土地沙化、尾礦庫潰壩等）和井下地質災害（礦震、煤與瓦斯突出、礦井突水、熱害、偏幫冒頂等）［1］。

2）煤礦環境地質問題可分為資源破壞、地質災害和環境污染三大類型［2］。煤礦地質災害是主要的環境地質問題。

3）煤礦地表地質災害類型以地面塌陷、地裂縫、滑坡為主，分別占地表地質災害總數的53.5%、33.2%、6.7%，煤礦開采造成的地面塌陷、地裂縫占到全國礦山地面塌陷、地裂縫總數的 81%，采煤塌陷面積占全國礦山地面塌陷面積的 82.78%。

我國煤礦井下地質災害事故統計表明，頂板和瓦斯事故是我國煤礦的主要井下地質災害類型。我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一，煤礦均為有瓦斯涌出的礦井。在復雜的地質條件下，瓦斯事故已成為煤礦的“第一殺手”，頂板事故的發生頻率最高。在2001～2010 年我國煤礦災害事故中，頂板事故發生起數最多，總共3 372 起，占總數的43%。瓦斯事故總共1 580起，占總數的20%，但死亡人數占總死亡人數的77.3%。因此，瓦斯災害事故防治是煤礦安全工作的重中之重［3］。

4）我國煤礦規模以小型為主，占到礦山總數的90%以上。小型礦山大多為集體和私營企業所有，開采技術水平不高，技術設施落后，管理不規范，回采率和選礦回收率低，環保意識淡薄，群采亂挖現象嚴重，因此造成的地質災害數量也較多。小型煤礦發生地質災害的數量遠大于大中型礦山，占到了地質災害數量的85%，是大中型礦山的 5.5倍。

5）井下地質災害的危害性遠大于地面地質災害。截止2005年，我國煤礦地表地質災害死亡人數約1 167人，而我國煤礦平均每年發生井下災害3 000起左右，死亡數千人。

2　煤礦地質災害勘察技術

煤礦地質災害分布于地表及地下，地表災害與地下災害存在一定的關聯性，同時煤礦災害的控制因素十分復雜，傳統地質災害調查方法難以準確查明煤礦災害的分布范圍與致災因素。

2.1地球物理勘查

煤礦地質災害防治中，地球物理勘探具有勘探速度快、成本低，控制范圍大的優勢，可以有效查明引起地質災害的地質背景，實際工作成果可以為地質災害防治提供可靠的地質依據，是安全保障礦山生產的有效技術手段。

2.1.1地球物理勘探方法

物探方法比較成熟常用的有高密度電法、瞬變電磁法、可控源大地電磁法以及近年發展起來的地震勘探法，在解決采空區問題均取得了一定的工程實例效果。

高密度電阻率法以巖土體導電性差異為基礎，既可研究深度方向的電性變化，也可研究水平方向的電性變化，通過參數換算取得更多突出的有效異常的比值參數，利于潛在災害的埋深、范圍等的推斷解釋。它對不太深的采空區、地下水系等的勘查十分有效［4-5］。瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發送一次脈沖電磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用線圖或接地電極觀測地下半空間二次渦流場的變化，從而達到探測的目的。該方法信噪比高、分辨力強、探測深度大、探測速度快，較容易發現礦區的采空區異常［6］。淺層地震法是由人工手段激發地震波，通過研究地震波在地層中的傳播規律，不僅能直觀地反映地層界面的起伏變化，而且還能有效探測地下隱伏斷層、空洞、陷落柱以及各種異常物體［6］。

上述方法受限于地形、深度等影響有時難以達到預期的效果，而EH-4高頻大地電磁測深系統往往可以適用于各種不同的地質條件和比較惡劣的野外環境，并能取得較好的工程效果。EH-4高頻大地電磁測深系統系統具有較高的分辨率，可以探測某些小的地質構造和區分電阻率差異不大的地層。徐白山等［7］在自然坡度較陡、地形影響大、接地條件差、植被發育等不良地貌的地方準確地圈定了采空區的范圍，分析了地表水與礦井地下水的導通情況。楊炳南等［8］在西南地區地形起伏較大，施工條件復雜的不利條件下，查明煤礦地下水分布情況和導水斷裂的空間展布并提出水害防治方案，解決貴州省巖溶石山區的喀斯特充水煤礦水害問題，對指導礦井的安全生產有著非常重要的指導作用。

2.1.2綜合物探技術應用

大量的地質災害勘查實例證明， 通過地表調查和常規的技術方法難以查明災害的位置分布、形態規模、埋深、塌陷、充水情況等。綜合地球物理方法因具備成本低、效率高，可進行大信息量的面積性勘查的特點，逐漸廣泛應用于地質災害勘查工作。

尹金柱等［9］運用瞬變電磁法、三維地震勘探、直流電法等綜合物探方法，探測小窯采空區、陷落柱及構造的導含水情況，為煤礦井下開拓和安全生產提供了極有價值的水文地質資料，在生產中提前采取措施，有效避免了礦井水害災害和重大經濟損失。劉海濤等［10］利用高密度電法淺部探測能力強，尤其對低阻敏感的特征， 查明淺部溶洞、老窯、采空區分布及含水情況；并結合具有較深探測能力的淺層地震反射，查明深部采空區和溶洞分布特征、充水情況和裂隙的發育程度，大大提高勘探精度。

實際工作中，往往因為多種方法聯合勘探增加成本，其可行性較低，因此制約了綜合地球物理勘探發展。但是，利用幾種地球物理方法綜合勘探，相互補充和驗證，提高勘探精度，減少多解性，這是地球物理未來發展的必然趨勢。

2.23s集成技術

3S技術的應用，可以從宏觀上掌握地質災害的分布、發生、發展規律。如利用GPS對災害發生地進行精確定位；利用礦區的多時相遙感圖像（RS）進行疊加分析，可以獲取礦區不同時期的地貌破壞程度、塌陷區的形態、面積、礦業廢棄物的類型及分布狀況、環境污染狀況及生態環境狀況；利用GIS技術可以對礦山災害信息數據進行空間有效分析，方便管理人員迅速掌握災情，有效進行防災減災工作。

高分辨率遙感影像在礦山地質災害監測方面可以發揮不可替代的重要作用。在研究不同類型地質災害的遙感影像特征基礎上，利用高分辨率遙感影像提供靶區可以從宏觀上查明礦山地質災害隱患的現狀、成因、分布規律；通過對比分析不同時相遙感數據的解譯結果，對礦山開發狀況和礦山生態環境可以實現動態監測，從而大幅提高礦山地質災害調查工作效率和工作質量。其次，利用高分辨率遙感圖像可以圈定地質災害發生的地點和范圍，為計算地質災害的相關參數提供了必要數據支撐［11-14］。

利用遙感技術、全球定位系統和地理信息系統技術相結合對地質災害進行信息提取，提升了地質災害信息提取的自動化、數字化程度，提高了礦山地質災害遙感監測工作的效率［15］。同時，可以實現常規監測手段難以做到的礦山災害定量化調查研究，為地質災害的治理工作提供了全面、詳細的資料，同時對地質災害發展趨勢研究提供了科學依據，是地質災害防災規劃的重要理論依據［16-17］。

礦山地質災害遙感影像識別標志至關重要。由于礦山地質災害類型的多樣性，災害內部組成物質的不均一性等特點，礦山地質災害在不同地區具有不同的識別標志，礦山地質災害遙感監測的自動化程度還有待進一步提升。

3　基于數字煤礦平臺的災害綜合防治

數字礦山的核心是在統一的時間參照與空間框架下，科學有序地組織、管理、維護和通過真三維可視化表達等不同手段獲取海量、異質、異構、多維、動態的礦山信息，整合各類礦山數據資源，建立數字化的礦山空間數據倉庫和集成化的礦山真三維空間模型，關聯礦山各類軟件系統與數據流程，為礦山設計、生產作業、安全管理、應急救援等提供基礎平臺和決策支持。數字礦山建設的總體目標是實現礦山的高效、安全、綠色與可持續［18-19］。

近十幾年來，我國數字礦山建設與信息化改造成效顯著，煤炭企業長期存在的地測空間數據獲取能力弱、礦山數據數字化程度低、礦井地質災害隱患把握不清等問題得到顯著改善。但是，我國煤礦現有災害監測管理方法上存在諸多問題，主要體現在：災害監測管理系統缺乏統一整合的軟件平臺，預測預報系統各自建設，產品標準不一、數據交互不暢、信息孤島現象嚴重；注重數據信號采集，缺少對數據的深度分析評價、特別是關于礦井災害的預測評價體系；缺乏直觀的、準確高效的現場指揮輔助決策能力等。所以，開發基于數字煤礦平臺的煤礦災害綜合管理系統勢在必行。

3.1技術原理

在數字煤礦軟硬件平臺上，利用數據庫管理技術，將基礎地理地質數據、地質災害數據、地表遙感監測數據、井下安全監測數據、礦井生產設施數據、井上井下工作人員數據等災害相關進行統一管理；利用三維GIS技術對以上數據進行三維可視化查詢、展示、管理分析，利用IMS技術進行授權數據的發布、查詢和利用；將基礎數據和實時監控數據結合災害評價專家庫，進行煤礦災害事故的預測、自動報警和預防；安全事故發生后，結合基礎數據與實時監控數據對礦井實況進行三維可視化顯示和分析，為決策者提供輔助決策（圖）。

由于大多數煤礦技術力量缺乏，災害基礎研究十分薄弱，有必要利用高校、科研院所等社會科技資源，對災害形成機理、監測技術、預測預報理論、災害防治技術等領域開展研究。系統通過科研數據接口，可以和科研單位實現災害最新研究數據的交流交換，加快災害科學研究成果在煤礦災害防治上的轉化應用，提高災害研究的效率和質量，減少災害的發生。

3.2系統功能與特色

1）在統一的數字煤礦平臺上實現煤礦主要地質災害的數據采集管理、災害變化監測、災害形成機理分析、災害預測預報、災害預防及應急救援；通過3D GIS技術模擬真實礦井模型，以三維可視化的方式模擬突水等災害發生后的井下實況，直觀的模擬井下最佳救援路徑或逃生路徑。

2）可以實現煤礦礦井災害預測預報的智能化，大大縮短預測預報時間，提高預測預報準確度，有利于提高煤礦企業的礦災預防能力和應急救援能力，減少煤礦安全事故的發生和及時有效的展開應急救援，總體提高煤礦安全管理水平。

3）解決礦井災害研究中海量數據分析、查詢、顯示和管理等信息技術問題，達到動態、多維的反映礦井災害的現狀和演變過程，判斷災害發展成災的趨勢，預測災害突發成災的影響分布范圍。

4）通過數字煤礦平臺，實現和科研數據的標準統一，順利實現災害研究資料的交流對接，借助外腦提高煤礦災害研究預測的水平。

基于數字煤礦的災害綜合管理系統結構圖

4　結論與建議

我國能源70%以上取自煤炭，煤炭行業在國民經濟建設中占有重要地位，而煤礦災害的發生已嚴重制約煤炭工業的健康發展和社會的全面進步。對于煤礦災害的防治，除在煤礦災害分布發育規律、形成機理、監測預警技術、綜合防治工程技術等技術層面加強多學科、多領域綜合研究外，在宏觀政策管理層面也必須加強配套工作。

1）加強礦山地質災害危險性評估工作，避免評估和生產的嚴重脫節現象。根據地災防治條例“誰開發誰保護，誰閉坑誰復墾，誰破壞誰治理”的原則，將評估結果和礦山生產結合起來，采取針對性措施預防采礦誘發災害。

2）重視并加強災害經濟學的理論研究和宣傳普及。災害經濟學是以災害與人類經濟活動相互關系的經濟屬性為研究對象，以災害預測、災害防治、災害善后的經濟問題為主要研究任務，以減少和減輕各種災害，保護現有勞動成果，促進經濟發展為研究目標［20］。目前人們普遍存在“重救災、輕防災”的認識，所以必須樹立“災害防治就是發展經濟，就是礦山效益增值”的新觀念。重視煤礦地質災害的災害損失經濟評價、防災方案技術經濟評價和防災效益的經濟評價的研究，在煤礦建礦、生產各個階段的經濟技術評價中，參考上述災害經濟評價的結果。

3）加快推進數字煤礦的建設。數字煤礦是煤礦發展的必然方向，而數字煤礦平臺是煤礦地質災害防治的重要基礎。必須高度重視數字煤礦的建設，將它作為煤礦生產建設的重要組成部分。

［1］ 何芳，徐友寧，喬岡，等.中國礦山地質災害分布特征［J］.地質通報，2012，31（2-3）：476～485.

［2］ 徐友寧.礦山地質環境調查研究現狀及展望［J］.地質通報，2008，27（8）：1236～1243.

［3］ 陳 娟，趙耀江.近十年來我國煤礦事故統計分析及啟示［J］.煤炭工程，2012（3）：137～139.

［4］ 李東林，顏際春，韓金良，等。高密度電法在公路工程勘察中的應用［J］.中外公路，2010，30（1）：212～215.

［5］ 吳有信，方含珍，潘啟章，等。煤礦地質災害的地球物理特征與勘察實例［J］.安全與環境工程，2003，10（4）：53～56.

［6］ 李藝，李明順，龐春勇.礦山地質災害類型及勘查方法［J］.礦業安全與環保，2007，34（5）：68～70.

［7］ 徐白山，王恩德，陳慶凱，等.利用EH-4確定煤礦采空區的邊界［J］.東北大學學報（自然科學版），2006，27（7）：810～812.

［8］ 楊炳南，彭乾云，余萬澤.EH-4連續電導率剖面儀在煤礦水患勘查和礦產勘探中的應用［J］.中國西部科技，2012（6）：38～40.

［9］ 尹金柱，吳有信.煤礦水害防治中的綜合物探技術應用［J］.礦業安全與環保，2011，38（5）:55～58.

［10］ 劉海濤，楊娜，董哲.綜合物探方法在煤礦采空區探測中的應用［J］.工程地球物理學報，2011，8（3）：38～40.

［11］ 李成尊，聶洪峰，汪勁，等.礦山地質災害特征遙感研究［J］.國土資源遙感，2005（1）:45-49.

［12］ 尚紅英，陳建平，等. RS 在礦山動態監測中的應用—以新疆稀有金屬礦集區為例［J］. 遙感技術與應用，2008，23（2）：189～195.

［13］ 錢麗萍.遙感技術在礦山環境動態監測中的應用研究［J］.安全與環境工程，2008，15（4）：5～9.

［14］ 王遜，陳偉濤.遙感技術在黑龍江省礦山地質環境監測中的應用［J］.安全與環境工程，2009，16（6）：20～25.

［15］ 王欽軍，陳玉，藺啟忠.礦山地質災害高分辨率遙感監測方法研究—以北京市房山區史家營煤礦為例［J］.防災科技學院學報，2010，12（4）：36-41，

［16］ 歐陽華平，賴健清，張建國.遙感技術在煤礦開采區詳細地質災害調查中的應用［J］.地質學刊，2010，34（2）：183～186.

［17］ 黎來福，王秀麗.SPOT-5衛星遙感數據在煤礦塌陷區監測中的應用［J］.礦山測量，2008，（2）:45～47.

［18］ 吳立新，汪云甲，丁恩杰.三論數字礦山—借力物聯網保障礦山安全與智能采礦［J］。煤 炭 學 報，2012，37（3）：357-365.

［19］ 藺志強，柳思聰.“3S”技術在數字礦山應用中的研究［J］.測繪與空間地理信息，2010，33（6）：147-149.

［20］ 潘懸，李鐵鋒.災害地質學［M］.北京:北京大學出版社，2002.

Coal Mine Geohazards and Their Control in China

LI Dong-lin QIN Wei LI Bei-ping
（Chongqing Engineering Professional Technology Institute， Chongqing 400037）

This paper deals with the application of geophysical exploration and 3S technology to coal geohazards survey and makes an approach to the necessity， feasibility， technical approaches and methodology of establishment of geohazards control and management system based on the digital platform of coal mine.

coal mine； geohazard； geophysical exploration； 3 S technology

P642

A

1006-0995（2015）04-0578-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.023

2014-11-21

重慶市教委科技項目（NO.KJ132006）資助

李東林（1969-），男，湖南新邵人，博士，教授，現從事地質災害、工程地質等方面的教學研究工作